環氧樹脂螺紋鎖固劑在飛機鋁合金螺紋連接中的應用

馬良冬，唐斌，鮑益東，郭強，畢宸洋

摘 要：針對飛機液壓系統鋁合金螺紋連接結構微動磨損產生滲漏的問題，設計了一種環氧樹脂螺紋鎖固劑。以粘接性能和耐油性能為判據依次確定了螺紋鎖固劑的基體樹脂、固化劑、粉末填料，得到了滿足實際需要的鎖固劑配方，結果表明：所研制的ED-V10Z20配方性能最優，常溫固化24 h即可使用，拉伸剪切強度為1.53 MPa，浸泡于15號航空液壓油質量無明顯變化。并以M42螺栓為例，計算了施涂時所需鎖固劑的用量，施涂后以78.4 N·m擰緊力矩裝配，松開力矩為298.7 N·m，大于技術指標，滿足使用要求。

關鍵詞：環氧樹脂;螺紋鎖固劑;配方設計;鋁合金螺紋;液壓系統

中圖分類號：TQ430.7+74 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）12-0001-06

Application of Epoxy Resin Screw Locking Agent in Aircraft Aluminum Alloy Screw Joint

Ma Liangdong1， Tang Bin2， Bao Yidong1， Guo Qiang3， Bi Chenyang3

（1.College of Mechanical & Electrical Engineering， NUAA， Nanjing 210016， China; 2. 2.Wuhu State-owned Factory of Machining， Wuhu 241000， China;3.Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract：To solve the leakage problem caused by fretting wear of aluminum alloy screw joint structure in aircraft hydraulic system， an epoxy resin screw locking agent is designed. With the bonding performance and oil resistance as the criterion， the matrix resin， curing agent and powder filler of the screw locking agent are determined in turn， and the locking agent formula that met the actual needs is obtained. The results show that the developed ED-V10Z20 formula has the best performance， which can be used after curing for 24 h at room temperature. The tensile shear strength is 1.53 MPa， and there is no obvious change when it is soaked in the quality of No. 15 aviation hydraulic oil. The M42 bolt is taken as an example to calculate the amount of locking agent required during coating. After coating， the tightening torque of assembly is 78.4 N·m， and the loosening torque is 298.7 N·m， which is greater than the technical index and meets the requirements

Key words：Epoxy resin; Screw locking; Formula design; Aluminum alloy screw; Hydraulic system

0 引言

液壓系統中鋁合金螺紋連接是一種重要的連接方式，連接部位多采用硫酸陽極化的方法以提高零件表面性能，該表面處理工藝防腐效果較好，但抗磨損性能較差[1-2]。在機上振動環境下，易產生螺紋磨損松脫，導致液壓系統漏油，影響飛行安全。因此研究鋁合金螺紋連接防損傷松脫的工藝方法十分必要。

鋁合金螺紋連接結構產生微動磨損的主要原因：一是螺紋連接存在一定的軸向間隙，給螺紋在外力作用下的竄動提供了空間，工作中不斷接觸咬合，螺紋擰合部位易出現磨損損傷;二是機上振動無法避免，飛機的振動尤其是發動機附近的高頻振動會惡化螺紋擰合面間的工作狀況，加劇微動磨損的產生[3-4]。

為提高鋁合金螺紋連接部位抗磨能力，提升產品服役可靠性，采用螺紋鎖固劑方案，通過鎖固劑膠液填充螺紋間隙，利用膠液緊固作用消除螺紋擰合間隙，消除振動帶來螺紋擰合部位損傷的影響。

螺紋鎖固劑是一類加強金屬螺紋鎖緊用高分子粘合劑，用于將螺栓螺母粘接成一整體，可以長期保持螺紋緊固效果[5]。目前市場上常見的螺紋鎖固劑主要是厭氧膠螺紋鎖固劑、硅橡膠螺紋鎖固劑、環氧樹脂螺紋鎖固劑等。

螺紋鎖固劑的體系設計總是以粘接強度作為第一判據，而粘接強度主要取決于鎖固劑樹脂基體的化學結構。施涂厭氧膠裝配的螺栓螺紋間隙一般為無氧環境，固化速度非常迅速，導致實際操作過程預留的可調整時間不充分;硅橡膠螺紋鎖固劑一般需與其他類型鎖固劑同時使用，在相同裝配力矩下，施涂硅橡膠螺紋鎖固劑后將導致預緊力明顯下降，螺栓擰緊程度相對更低;環氧樹脂中含有環氧基、羥基、醚鍵等活性基團，與金屬基材的結合力較高，固化前具有較好的流動性，便于均勻施涂，且作為熱固性樹脂，固化后有較高的粘接強度[6-10]。

后續根據所提出的螺紋防損傷松脫研究技術路徑，結合鋁合金螺紋的裝配狀態、使用環境及產品修理維護需求，開展抗微動磨損膠接涂層材料的研究及配方設計，進行材料成分的優化設計并完成最終固化。

1 螺紋鎖固劑配方設計

1.1 設計指標

某型飛機低壓油濾存在2D70鋁合金螺紋連接結構，規格為 M42×1.5。參照Q/1S 353—2005標準，擰緊力矩為78.4 N·m，對螺紋區域施涂環氧樹脂鎖固劑，結合機上防震要求，固化后松開力矩不低于150 N·m。

緊固螺紋的粘接劑應操作方便，裝配過程中不易脫落污染，裝配后能充盈在螺紋聯接特定區域的間隙內。并具有良好的耐液壓油溶脹性能，其成分不會溶解到液壓油中。

1.2 設計思路

篩選確定合適的螺紋鎖固劑基體樹脂、固化劑和粉末填料，計算膠液用量并進行驗證，明確固化時間，設計最優配方滿足粘接性能和耐油性能要求。

1.3 螺紋鎖固劑基體樹脂與固化劑的篩選

1.3.1 螺紋鎖固劑基體樹脂篩選

在飛機液壓系統檢修過程中較難對螺紋進行加熱使螺紋鎖固劑固化，因此，所有體系均采用室溫25℃作為固化溫度。螺紋鎖固劑基體樹脂類型從環氧樹脂、壓敏膠、硅橡膠、氯丁膠、厭氧膠和熱熔膠等6種樹脂體系中篩選，篩選依據是粘接性能、耐油性能。其中重點試驗對象為環氧樹脂基螺紋鎖固劑，螺紋鎖固劑配方設計如表1所示。

各螺紋鎖固劑體系拉伸剪切強度結果如圖1所示，拉伸剪切強度測試按照國家標準GB/T 7124—2008進行測試。

耐油性能按國家標準GB/T 11547—2008進行測試，將螺紋鎖固劑按照固化條件澆筑成塊狀或涂覆于鋼板上制成薄層，浸沒于25℃的15號航空液壓油中，每隔24 、48、72和96 h取出試樣清理干凈后稱重。各螺紋鎖固劑質量變化率如圖2所示。

分析粘接性能和耐油性能試驗結果，環氧樹脂拉伸剪切強度適中，耐油性能優良，僅環氧樹脂同時滿足粘接性能與耐油性能要求，故選擇環氧樹脂體系作為螺紋鎖固劑基體樹脂使用。

1.3.2 環氧樹脂體系固化劑篩選

將環氧樹脂YD-128（E-53）與4種固化劑DETA、TEPA、CYDHD-531和CYDHD-593，制備配方ED、ET、EP和EF的拉伸剪切試樣，分別測試4種配方在室溫25℃下固化24、48和72 h時的拉伸剪切強度，以分析固化劑和固化時間對環氧樹脂固化體系粘接性能的影響。環氧樹脂螺紋鎖固劑配方設計如表2所示;拉伸剪切試驗結果如圖3所示。

由圖3可以看出，ED和ET可在24 h內基本完全固化，拉伸剪切強度分別達到3.72 MPa和4.00 MPa。EP和EF經24 h固化后，拉伸剪切強度更高，且隨著時間延長持續增加，最高達到5.71 MPa和8.82 MPa，作為螺紋鎖固劑基體樹脂其拉伸剪強度過高。根據粘接性能結果，選擇拉伸剪切強度最低的ED作為螺紋鎖固劑的基體樹脂，但其拉伸剪切強度依然過高需要通過改性降低。

1.4 粉末填料改性環氧樹脂螺紋鎖固劑

采用微米級填料滑石粉（H）、石墨（T）、MoS2（U），以及納米級填料MoO2（V）、MoO3（W）、ZrO2（X）、Si3N4（Y）、Al2O3（Z）分別單獨對環氧樹脂固化體系進行改性[11];填料改性環氧樹脂的目的在于降低其拉伸剪切強度[12-13]。

1.4.1 單組分填料對螺紋鎖固劑粘接性能的影響

各組分填料單獨改性環氧樹脂螺紋鎖固劑時，填料添加量對環氧樹脂體系拉伸剪切強度的影響如圖4所示。

分析單組分填料改性環氧樹脂ED的試驗結果，從8種填料中篩選出H、U、V、Y和Z這5種改性效果明顯的填料進行復配改性環氧樹脂試驗，以測試復配填料對環氧樹脂拉伸剪切強度的影響。

1.4.2 復合填料對螺紋鎖固劑粘接性能的影響

使用雙組分填料對環氧樹脂進行復配改性，將填料U和V與填料Y和Z兩兩分別復配改性ED環氧樹脂，拉伸剪切強度結果如表3所示。

雙組分配方ED-U30Z20和ED-V10Z20環氧樹脂ED拉伸剪切強度降低最明顯。

1.4.3 填料對螺紋鎖固劑耐油性能的影響

選擇ED環氧樹脂與篩選出的ED-U30Z20環氧樹脂配方和ED-V10Z20環氧樹脂配方，分別制備室溫25℃固化的澆筑試樣，置于室溫25℃的15號航空液壓油中浸泡96 h，每隔24 h取出擦拭干凈并稱重，試樣在液壓油中的質量變化率如圖5所示。

由圖5可知，改性環氧樹脂體系浸泡于航空液壓油96 h后質量幾乎無變化，質量變化率遠小于壓敏膠、硅橡膠等其他樹脂體系，目視檢查涂層表面無起皺、鼓泡、脫落、軟化等現象。改性環氧樹脂配方ED-U30Z20和ED-V10Z20能滿足螺紋鎖固劑材料對粘接性能和耐油性能的要求。

2 螺紋鎖固劑施涂工藝所需膠量計算分析

在螺紋件的裝配與拆卸過程中，涉及到以下力矩值：

TS為擰緊力矩，螺紋緊固件在裝配過程中克服螺紋面或底墊之間摩擦力的扭矩。

TL為松開力矩，螺紋緊固件在拆卸過程中的起始力矩。

TP為牽出力矩，拆卸過程中螺母轉到指定角度過程中的最大力矩，試驗中牽出力矩TP指定角度統一為180°。

2.1 螺紋鎖固劑施涂工藝所需膠量理論計算

M42螺栓縫隙截面示意圖（平行于螺紋方向）如圖6（a）所示，螺栓與螺母的螺面凹陷和突起處應相互對應互相吻合。所以圖中對應膠粘劑的深色陰影部分可以被分割為A、B、C 3個區域分別進行計算，見圖6（b）。

對于區域 A，底邊 l 為螺栓齒面凹陷處寬度，由于螺栓齒紋下方是原始三角形截去四分之一，所以 l 等于原始三角形邊長的四分之一，原始三角形邊長即為螺距P，故有：

區域 A高度即為螺紋間隙，設為 ε，則：

對于區域 B，其包含兩個對稱的部分，分別可以看作一個斜放的平行四邊形，其高度亦為螺紋間隙 ε，而底邊 l 則是原始三角形上截去八分之一，下截去四分之一剩余的部分，即：

則：

對于區域C，兩部分可以合二為一，底邊 l 為P/8，高同樣為ε，則：

所以，陰影區域（膠粘劑）面積：

式（6）中，螺距P為1.5 mm。以螺紋中徑最大公差0.15 mm假設螺紋間隙，由于中徑為直徑，兩側各存在一個螺紋間隙區域，所以ε應為0.075 mm。代入公式：

S =1.625×1.5×0.075≈0.183 mm2

螺紋間隙截面積繞軸一圈，即為間隙體積，為方便計算，全截面旋轉半徑均按照螺紋中徑的一半計算（由于面積相對較大的區域 A 相對靠近螺栓中軸，這樣的計算方式得出的結果相對偏大）：

V = 2πRS = 23.56×10-3 cm2

10圈螺紋，總的螺紋間隙體積：

V10=V×10 =235.6×10-3 cm3

實測環氧樹脂YD-128（E-53）的密度ρ為1.16 g/cm3，則填滿間隙所需的環氧膠質量：

m= ρV10 = 273.3 mg

2.2 實際測算

按同樣的方法計算螺帽未安裝前將螺栓本身齒紋間隙全部涂滿所需膠體的截面積，如圖7所示，梯形截面積為：

S≈0.675mm2

則可計算安裝螺帽前后，膠體可以填充的體積比例k：

即將螺栓齒紋間隙涂滿一扣，安裝螺帽后膠體會充滿3.7扣的螺紋間隙。反之，完整充滿 l 扣螺紋間隙，安裝前需將螺栓齒紋間隙涂滿0.27扣。

實際測算發現，安裝前涂滿一扣的螺栓齒紋，消耗環氧膠約為93 mg，安裝前滿涂十扣，供需930 mg環氧膠。簡單計算可知，安裝后充滿一扣螺紋間隙的環氧膠質量約為25 mg，十扣一共約250 mg。這與理論計算得出的273.3 mg數值接近。

2.3 實際涂膠

使用ED-V10Z20環氧樹脂螺紋鎖固劑50 mg涂覆螺紋，裝配、固化、松開后，觀察到膠體已填充螺栓前側2扣的螺紋面間隙。

該條件下，以78.4 N·m的裝配力矩裝配螺紋，測試得松開力矩TL>1.338 N·m、牽出力矩TP>52.6 N·m， 提高350%以上。

使用環氧樹脂螺紋鎖固劑250 mg涂覆M42螺栓，裝配-固化-松開后，觀察到螺栓10扣的螺紋上均存在明顯的膠體填充，如圖8所示。螺紋出口處存在較多膠體堆積，說明螺栓內部間隙已填滿，多余膠體溢出。

該條件下，以78.4 N·m的裝配力矩裝配螺紋，測試得松開力矩TL>298.7 N·m、牽出力矩TP>133.8 N·m，滿足使用要求。

綜上所述，建議使用環氧樹脂螺紋鎖固劑180～200 mg涂覆M42螺栓，將螺紋首扣和尾扣空置不涂，待安裝后自然充滿，既保證環氧樹脂螺紋鎖固劑基本充滿螺紋縫隙，又保證鎖固劑不會溢出而堆積在出口處。

3 結語

所研制的螺紋鎖固劑最佳配方ED-V10Z20的粘接性能、松開力矩、耐油性能達到項目技術指標要求。

（1）采用環氧樹脂基復合螺紋鎖固劑，常溫固化24 h即可使用，拉伸剪切強度為1.53 MPa。將其施涂于規格M42螺栓，以78.4 N·m擰緊力矩裝配，松開力矩大于技術指標，滿足使用要求。

（2）環氧樹脂鎖固劑易于涂覆，操作方便，施涂、裝配過程均不會脫落污染。螺栓拆卸后以專用脫膠劑清洗，可以方便的清除殘余鎖固劑。

（3）浸泡于15號航空液壓油中96 h后質量無明顯變化，表面未見剝離、開裂，耐油性較好。

涂膠過程中建議用與螺紋齒面形狀一致的刮板輕刮已涂覆的環氧膠，保證膠體充滿螺紋間隙，之后稱量被刮板帶走的膠體質量。

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